Оценка повреждений российских лесов пожарами в 21 веке на основе анализа интенсивности горения по данным прибора MODIS

В настоящей разделе представлены и проанализированы основные особенности динамики повреждений лесов пожарами на территории РФ, наблюдавшихся в период с 2001 по 2024 год, в том числе для различных типов лесов и в различные периоды пожароопасного сезона.

Для оценки площадей погибшей и усыхающей растительности использовался метод, основанный на зависимостях вероятности гибели лесов от интенсивности пожаров с учётом сезонных особенностей и типов лесов, в которых действовал пожар. При этом как мера интенсивности пожара используется нормированное на площадь пиксела значение FRP (Fire Radiative Power) восстанавливаемое на основе спутниковых наблюдений в канале 4 мкм. Далее в работе данную характеристику мы будем обозначать FRPS. Для оценки повреждений ранее нами была разработан подход, который основывался на там что на основе сравнения значение максимального FRPS (maxFRPS) наблюдавшееся в каждой точке пожара за все время действия пожара с оценками постпожарных повреждений по данным спутниковых наблюдений была построены зависимости вероятности возникновения различных уровней повреждений от maxFRPS. При этом уровни повреждений представляются в терминах СКС (средневзвешенная категория состояния). Традиционно устанавливаются следующие верхние границы интервалов значений СКС для отнесения насаждения к категориям состояния: 1,5 – здоровое насаждение (класс 1); 2,5 – ослабленное (класс 2); 3,5 – сильно ослабленное (класс 3); 4,5 – усыхающее (класс 4); выше 4,5 относятся к погибшим (класс 5).

Метод оценки площадей повреждений, вызванных пожарами, основан на том, что для каждого пиксела, с учётом времени действия пожара и типа леса, по построенным зависимостям вычисляется процент погибшего и/или усыхающего леса в анализируемом пикселе от общей площади леса в исследуемом пикселе. Информация о площади леса в конкретном пикселе получается с использованием ежегодно обновляемых карт основных типов лесного покрова, ежегодно формируемых по всей территории РФ и маски покрытых лесом территорий, построенной на основе данных спутников Landsat. Информация о площади погибших и/или усыхающих лесов в каждом пикселе Карт maxFRPS интегрируется. На её основе получается статистика о повреждениях различных типов лесов, на различных территориях и в различные периоды времени.
Для анализа летальности кроме площади повреждённых лесов необходимо также иметь оценку общей площади, пройденной лесными пожарами. Для этого был разработан алгоритм основанные на предположении, что площадь, пройденная огнём в конкретной области (пикселе результирующей Карты maxFRPS), зависит от значения maxFRPS и числа наблюдений горения в данной области за все время действия пожара (N). Поэтому можно построить зависимость наиболее вероятного процента площади, пройденного пожаром в анализируемой области (конкретном пикселе) от maxFRPS и N. Данная зависимость была построена на основе сравнения информации о наблюдениях горения пожара и площадях, пройденных огнём, полученных по постпожарным наблюдениям гарей (видимым повреждениям растительного покрова) на основе спутниковых данных высокого пространственного разрешения (Landsat TM/ETM/OLI 30 м и Sentinel-2 MSI 10 м). Были построены зависимости средней доли площади, проходимой пожаром в пикселе, от значений maxFRPS f(FRPS) и числа наблюдений f(N). Полученные зависимости представлены на рисунках 1 и 2. Для оценки площади, пройденной огнём в конкретном пикселе, предлагается использовать следующую схему:

S_{pix_fire}=max⁡(f(FRPS),f(N))*S_pix

где S_{pix_fire} площадь, пройденная огнём в пикселе; S_pix площадь пикселя.

 
Рисунок 1 — Средняя доля гари внутри пикселя при различных значениях FRPS
 

Рисунок 2 — Средняя доля гари внутри пиксела при разном количестве детектирований, зарегистрированных внутри пикселя

Для проведения анализа повреждений лесов пожарами на основе данных об интенсивности горения с использованием предложенных подходов за период с 2001 по 2024 год была создана серия растровых карт. В пикселях карт содержатся значения площадей повреждений (площади 4-го и 5-го класса СКС), общая площадь, пройденная пожарами в пикселе, и тип леса (преобладающая порода в пикселе). Для создания карт использовалась равновеликая коническая проекция Альберса (разрешение в 230 метров). Для анализа различных особенностей повреждений лесов пожарами на территории РФ на основе данной серии карт и БД пожаров была создана БД, содержащая следующую информацию по всем пикселам растровых карт, в которых за анализируемый период хотя бы один раз было детектировано горение:

•     Год регистрации пожара.
•     Номер дня в году действия пожара.
•     FRPS.
•     Количество ГТ, попавших в пиксель за срок действия пожара.
•     Тип растительности, на котором происходил пожар.
•     Оценка площади усыхающей растительности (4 СКС).
•     Оценка площади погибшей растительности (5 СКС).
•     Оценка общей площади, пройденной огнём внутри пиксела (S(FRPS)).
   

Данная БД (далее БД FRPSD) использовалась для расчета различной статистики о повреждениях, вызванных лесными пожарами.

На основе описанных выше методов оценки повреждений лесов, вызванных лесными пожарами в период с 2001 по 2024 год была рассмотрена как временная (по годам), так и сезонная (по месяцам в течение пожароопасного сезона) динамика повреждений. При этом рассматривается как динамика площадей, на которых наблюдались повреждения 4-го и 5-го классов СКС, так и динамика летальности, для которой под погибшей растительностью понималась только 4 СКС, 5 СКС и 4 и 5 СКС вместе.

Для общего понимания представленных ниже тенденций динамики рассматриваемых характеристик лесных пожаров, на наш взгляд, можно условно считать, что 5-й класс СКС соответствует лесам, погибшим в год пожара, а 4-й класс СКС соответствует сильно повреждённым лесам, которые с большой вероятностью погибнут в последующие за пожарами годы.

На рисунке 4 представлена информация о динамике площадей, пройденными лесными пожарами, соответствующих 4-му и 5-му классам СКС. На представленных данных достаточно хорошо видно, что если площади, соответствующие 4 классу СКС, практически остаются стабильными в обсуждаемый период, то у площадей, соответствующих 5-му классу СКС, наблюдается значимый положительный тренд. Временные изменения пропорции площадей, занятых лесами с повреждениями 4-го и 5-го классов от общей площади лесов, в которых наблюдаются сильные повреждения (4-го или 5-го класса) представлены на рисунке 5. Хорошо видно, что за анализируемый период достаточно существенно возросла доля лесов с повреждениями 5-го класса, т.е. тех, которые с большой вероятностью погибнут в год действия пожаров.

Следует отметить, что каких-либо значимых трендов в общей динамике площади, проходимой лесными пожарами в период с 2001 по 2024 год, не наблюдалось. Это видно, например, из данных представленных на рисунке 3. Данный факт также отмечался в. Поэтому наблюдаемый рост площадей лесов со значительными повреждениями за рассматриваемый период должен приводить к заметному росту летальности. Это хорошо видно на рисунке 3.3.2.6. Суммарная летальность 4-го и 5-го класса СКС (т.е. летальность, связанная как с гибелью лесов в год пожара, так и последующей гибелью повреждённых лесов) в рассматриваемый период возросла более чем в 2 раза (с 15 до 35 %). При этом наиболее резкий рост наблюдается для летальности, соответствующей 5-му классу СКС. Следует также отметить, что практически не наблюдается зависимость летальности лесов от площадей, проходимых пожарами в конкретные годы (рисунок 7). В частности, увеличение летальности не наблюдается в годы сильного или даже катастрофического горения лесов на территории РФ.

Интерес также представляют особенности повреждений, которые наблюдаются в лесах с различной преобладающей породой. Информация об этом представлена на рисунок 3.3.2.8. На нём, например, хорошо видно, что рост как площадей повреждений лесов, так и летальности пожаров в период с 2001 по 2024 год, в основном связан с их ростом в хвойных листопадных лесах.

 
Рисунок 3 — Динамика интегральной площади, пройденной огнём на территории РФ по годам (2001–2024). S(std) — стандартная коррекция, S(FRPS) —– коррекция по FRPS
 

Рисунок 4 — Динамика площади усыхающих (4 СКС) и погибших (5 СКС) лесов на территории РФ с 2001 по 2024 год
 

Рисунок 5 — Многолетняя динамика процента площадей, на которых наблюдается повреждения лесов 4-го и 5-го класса, от общей площади сильно повреждённых лесов (сумма площадей, занятых лесами с повреждениями 4-го и 5-го классов СКС)
   

Рисунок 6. — Динамика летальности лесов на территории РФ с 2001 по 2024 год, где под погибшей растительностью считается только 4 СКС (оранжевая линия), 5 СКС (красная линия), 4 и 5 СКС вместе (чёрная линия)
 

Рисунок 7 — Зависимость летальности (погибшие — 4 и 5 СКС) от площади, пройденной огнём в соответствующем году
 

Рисунок 8 — Изменения площадей погибших лесов и летальности пожаров в лесах с различными типами преобладающий пород за период с 2001 по 2024 год. Первая колонка – площади, пройденные огнём (синяя линия) и площадь усыхающей и погибшей растительности (чёрная линия). Вторая колонка – динамика летальности (под погибшей растительностью считается только 4 СКС (оранжевая линия), 5 СКС (красная линия), 4 и 5 СКС вместе (чёрная линия). Третья колонка – динамика процента площадей, на которых наблюдается повреждения лесов 4-го и 5-го класса, от общей площади сильно повреждённых лесов (отношение для 4 СКС – оранжевая линия, для 5 СКС – красная)

Особенности сезонной динамики площадей пожаров на территории РФ достаточно хорошо известны и изучены. Хорошо известно, что в среднем в сезоне наблюдается два пика горения, соответствующих весенним и летним пожаром. Это хорошо видно на рисунке 3.3.2.9., где представлено среднее за период с 2001 по 2024 год распределение площадей, пройденных лесными пожарами по месяцам. На представленном распределении хорошо выделяются максимумы в мае и июне.

В отличие от анализа сезонного распределения площадей, проходимых лесными пожарами, вопросу изучения повреждений лесов от пожаров, действующих в различное время пожароопасного сезона, посвящено существенно меньшее число работ. Комплексно данный вопрос был впервые поднят в работе (Барталев С.А., Стыценко Ф.В. Спутниковая оценка гибели древостоев от пожаров по данным о сезонном распределении пройденной огнем площади // Лесоведение. 2021, № 2, С. 115–122 DOI: 10.31857/S0024114821020029), в которой, как уже отмечалось, было впервые введено определение летальности лесного пожара. Поэтому дополнительная информация по данному вопросу, на наш взгляд безусловно важна.

 
Рисунок 9 — Усреднённое за период с 2001 по 2024 год распределение по месяцам площадей, пройденных лесными пожарами на территории РФ. Оценки площадей получены на основе предложенного в настоящей работе подхода на основе интенсивности горения

На основе имеющихся наблюдений пожаров за период с 2001 по 2024 годы с использованием предложенных в данной работе походов была получена следующая информация о распределении наблюдаемых в лесах сильных постпожарных повреждений (4 и 5 класс СКС) на территории РФ:

• Зависимость летальности лесных пожаров от времени действия пожара в сезоне. На рисунке 3.3.2.10 представлена средняя зависимость за анализируемый период. На рисунке представлен сезонный ход летальности как для лесов с различными преобладающими породами, так и интегральное распределение для всех типов лесов. Хорошо видно, что летальность пожаров в летние месяцы существенно (до 6 раз) выше, чем у весенних пожаров. Максимум летальности для всех типов лесов наблюдается в июле. Исключение составляют темнохвойные леса, для которых максимум летальности наблюдается в июне.
• Зависимость площадей сильных повреждений лесного покрова от времени действия пожара в сезоне. На рисунке 3.3.2.11 представлена средняя зависимость за анализируемый период. На рисунке представлены как распределения для лесов с различной преобладающей породой, так и интегральное распределение для всех типов лесов. Хорошо видно, что в отличие от сезонного распределения общей площади, проходимой лесными пожарами, распределения, представленные на рисунке 3.3.2.12, не имеют двух максимумов в сезоне. Это связано с тем, что летальность пожаров в летние месяцы существенно выше, чем у весенних пожаров (см. рисунок 3.3.2.10) и даже некоторое понижение общей площади проходимых лесными пожарами в начале лета (см. рисунок 3.3.2.9) не приводит к понижению площадей сильно повреждённых лесов.
• Сезонная зависимость доли средней площади сильно повреждённых лесов от общей площади повреждений рассматриваемого типа леса за весь сезон представлена на рисунке 3.3.2.13. На рисунке приведены зависимости как лесов с различной преобладающей породой, так и интегральное распределение для всех типов лесов. Видно, что основой процент повреждений для лесов различного типа приходится на июнь. При этом для всех типов лесов, кроме лиственных в сезоне наблюдается только один пик. У лиственных лесов в распределении кроме летнего наблюдается ещё и весенний пик. Следует также обратить внимание, что на три летних месяца приходится более 80 % сильно повреждённых пожарами площадей в сезоне, при этом на июнь приходится около 50 % таких площадей.

 
Рисунок 10 — Сезонная динамика средних значений летальности
по месяцам для лесов с различной преобладающей породой
 

Рисунок 11 — Сезонная динамика средних значений интегральной
площади сильно повреждённых лесов с различной преобладающей породой

 
Рисунок 12 — Сезонная динамика доли средней площади сильно повреждённых
лесов от общей площади повреждений рассматриваемого типа леса за весь сезон
 

Рисунок 13 — Сезонная динамика доли средней площади сильно повреждённых лесов от общей площади повреждений рассматриваемого типа леса за весь сезон

Таким образом, методы оценки повреждений лесного покрова пожарами на основе данных об интенсивности горения позволили провести анализ особенностей динамики повреждений лесов пожарами, наблюдавшихся в 21 веке на территории РФ. При этом показано, что в анализируемый период наблюдался значимый рост летальности пожаров (более чем в два раза). Данный рост в основном обусловлен ростом летальности пожаров, действующих в хвойно-листопадных лесах. Также можно отметить, что с начала 21 века существенно увеличился процент сильно повреждённых пожаров (5-й класс СКС). Все это позволяет сделать вывод о значимом наблюдаемом тренде увеличения ущербов от лесных пожаров на территории РФ в 21 веке несмотря на то, что значимого тренда в площадях, пройденных пожарами, в то же время не наблюдается.

Также, на основе предложенных методов проведён анализ сезонной динамики повреждений лесного покрова пожарами. Приведены данные для лесов с различными видами преобладающих пород и для пожаров, действующих в различные месяцы. Показано, что летальность весенних и летних пожаров может различаться почти в 6 раз. Это, в частности, приводит к тому, что на летние месяцы приходится более 80 % площадей сильных повреждений, связанных с лесными пожарами, при этом около 50 % таких площадей приходится на июль.